Андрей Смирнов
Время чтения: ~8 мин.
Просмотров: 1

Кривошипно-шатунный механизм

Область применения

Кривошипно-ползунные механизмы впервые стали применять в античности, на римских пильных мельницах. Там вращение колеса, приводимого в действие силой падающей воды, преобразовывалась в возвратно-поступательное движение полотна пилы.

В средние века конструкция была незначительно улучшена. Настоящий расцвет кривошипно-ползунные пары пережили в эпоху паровых машин. Детали стали производить из чугуна и стали, возросла их прочность и надежность. Учены стали разрабатывать методы расчета таких устройств.

В наши дни самым широким полем применения являются поршневые бензиновые и дизельные двигатели. Они используются в каждом автомобиле, тепловозе, большинстве судов, винтовых самолетах и вертолетах. В крупных судовых дизелях применяют как обычную, так и дезаксиальную схему.

Такая же схема применяется и в конструкции горизонтально-ковочных установок.

Используются кривошипно-шатунные пары и в разнообразных гидравлических и пневматических инструментах и станках.

Преимущества и недостатки цилиндра с большим рабочим объёмом

Цилиндр большего рабочего объёма имеет меньшие относительные потери теплоты в стенки. Это хорошо подтверждается примерами стационарных дизелей с большими рабочими объёмами цилиндров, которые имеют очень низкие удельные расходы топлива. В отношении легковых автомобилей это положение, однако, подтверждается не всегда.

Анализ уравнения мощности двигателя показывает, что наибольшая мощность двигателя может быть достигнута при небольшой величине хода поршня.

Средняя скорость поршня может быть вычислена как

где S — ход поршня, м; n — частота вращения, мин -1 .

При ограничении средней скорости поршня Cп частота вращения может быть тем выше, чем меньше ход поршня. Уравнение мощности четырёхтактного двигателя имеет вид

где Vh — объём двигателя, дм 3 ; n — частота вращения, мин -1 ; pe — среднее эффективное давление, МПа.

Следовательно, мощность двигателя прямо пропорциональна частоте его вращения и рабочему объёму. Тем самым к двигателю одновременно предъявляются противоположные требования — большой рабочий объём цилиндра и короткий ход. Компромиссное решение состоит в применении большего числа цилиндров.

Наиболее предпочтительный рабочий объём одного цилиндра высокооборотного бензинового двигателя составляет 300—500 см 3 . Двигатель с малым числом таких цилиндров плохо уравновешен, а с большим — имеет значительные механические потери и обладает поэтому повышенными удельными расходами топлива. Восьмицилиндровый двигатель рабочим объемом 3000 см 3 имеет меньший удельный расход топлива, чем двенадцатицилиндровый с таким же рабочим объёмом.

Для достижения малого расхода топлива целесообразно применять двигатели с малым числом цилиндров. Однако одноцилиндровый двигатель с большим рабочим объёмом не находит применения в автомобилях, поскольку его относительная масса велика, а уравновешивание возможно лишь при использовании специальных механизмов, что ведёт к дополнительному увеличению его массы, размеров и стоимости. Кроме того, большая неравномерность крутящего момента одноцилиндрового двигателя неприемлема для трансмиссий автомобиля.

Наименьшее число цилиндров у современного автомобильного двигателя равно двум. Такие двигатели с успехом применяют в автомобилях особо малого класса («Ситроен 2CV», «Фиат 126»). Сточки зрения уравновешенности, следующим в ряду целесообразного применения стоит четырёхцилиндровый двигатель, однако в настоящее время начинают применять и трёхцилиндровые двигатели с небольшим рабочим объёмом цилиндров, поскольку они позволяют получить малые расходы топлива. Кроме того, меньшее число цилиндров упрощает и удешевляет вспомогательное оборудование двигателя, так как сокращается число свечей зажигания, форсунок, плунжерных пар топливного насоса высокого давления. При поперечном расположении в автомобиле такой двигатель имеет меньшую длину и не ограничивает поворот управляемых колёс.

Трёхцилиндровый двигатель позволяет использовать унифицированные с четырёхцилиндровым основные детали: гильзу цилиндра, поршневой комплект, шатунный комплект, клапанный механизм. Такое же решение возможно и для пятицилиндрового двигателя, что позволяет при необходимости увеличения мощностного ряда вверх от базового четырёхцилиндрового двигателя избежать перехода на более длинный шестицилиндровый.

В дизелях помимо уменьшения потерь теплоты при сгорании большой рабочий объёмом цилиндра даёт возможность получить более компактную камеру сгорания, в которой при умеренных степенях сжатия создаются более высокие температуры к моменту впрыска топлива. У цилиндра с большим рабочим объёмом можно использовать форсунки с большим числом сопловых отверстий, обладающих меньшей чувствительностью к нагарообразованию.

Двигатель с воспламенением от сжатия

Основная статья: Дизельный двигатель

Дизельный двигатель характеризуется воспламенением топлива без использования свечи зажигания. В разогретый в цилиндре воздух от адиабатического сжатия (до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива) через форсунку впрыскивается порция топлива. В процессе впрыскивания топливной смеси происходит его распыление, а затем вокруг отдельных капель топливной смеси возникают очаги сгорания, по мере впрыскивания топливная смесь сгорает в виде факела. Так как дизельные двигатели не подвержены детонации, в них допустимо использование более высоких степеней сжатия. Повышение её свыше 15 практически роста КПД не даёт, поскольку при этом максимальное давление ограничивают путём более длительного сгорания и уменьшением угла опережения впрыска. Однако малоразмерные быстроходные вихрекамерные дизеля могут иметь степень сжатия до 26, для надёжного воспламенения в условиях большого теплоотвода и для меньшей жёсткости работы (жёсткость обуславливается задержкой воспламенения, характеризуется в повышении давления при сгорании, измеряется в МПа/градус поворота коленчатого вала). Крупногабаритные судовые дизели с наддувом имеют степень сжатия порядка 11..14 и КПД более 50%.

Дизельные двигатели обычно менее быстроходны и при равной мощности с бензиновыми характеризуются большим крутящим моментом на валу. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжёлых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счёт пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо, в случае с дизель-генераторными установками, от присоединённого электрического генератора, который при запуске выполняет роль стартера.

Вопреки расхожему мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по циклу Дизеля, а по циклу Тринклера — Сабатэ со смешанным подводом теплоты. Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла — более высокой механической напряжённостью, требующей повышенной прочности конструкции и, как следствие, увеличения её габаритов, веса и увеличения стоимости за счёт усложнённой конструкции и использования более дорогих материалов. Также дизельные двигатели за счет характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.

Газодизельный двигатель

Основная статья: Газодизельный двигатель

Основная порция топлива приготавливается, как в одной из разновидностей газовых двигателей, но зажигается не электрической свечой, а запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр аналогично дизельному двигателю. Обычно имеется возможность работы по чисто дизельному циклу. Применение: тяжёлые грузовики. Газодизельные двигатели, как и газовые, дают меньше вредных выбросов, к тому же природный газ дешевле. Такой двигатель зачастую получают дооснащением серийного, при этом экономия дизтоплива (степень замещения газом) составляет порядка 60%. Зарубежные фирмы также активно разрабатывают такие конструкции.

Признаки наличия неисправностей в работе КШМ

Для своевременного выявления сбоев и начинающих развиваться негативных процессов в кривошипно- шатунной группе полезно знать из внешних признаков:

  • Стуки в двигателе, непривычные звуки при разгоне.  Звенящие звуки часто бывают вызваны детонационными явлениями. Неполное сгорание топлива во время рабочего такта и взрывообразное его сгорание на такте выпуска приводят к скоплению нагара на кольцах и днище поршня, к ухудшению условий их охлаждения и разрушению. Необходимо залить качественное топливо и проверит параметры работы системы зажигания на стенде.
  • Глухие стуки говорят об износе шеек коленвала. В этом случае следует прекратить эксплуатацию, отшлифовать шейки и заменить вкладыши на более толстые из ремонтного комплекта.
  • «Поющий» на высокой звонко ноте звук указывает на возможное начало плавления вкладышей или на нехватку масла при повышении оборотов. Также нужно срочно ехать в сервис.
  • Сизые клубы дыма из выхлопного патрубка свидетельствуют о избытке масла в рабочей камере. Следует проверить состояние колец и при необходимости заменить их.
  • Падение мощности также может вызываться закоксовыванием колец и снижением компрессии.

При обнаружении этих тревожных симптомов не стоит откладывать визит в сервисный центр. Заклиненный двигатель обойдется намного дороже, и по деньгам, и по затратам времени.

Отношение — радиус — кривошип

Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна г / 1 влияет определенным образом на условия смазки, в частности смазки шатунных подшипников. Известно, что во время работы шатунных и коренных подшипников происходят циклически повторяющиеся провалы несущей способности гидродинамического слоя и опасные сближения шейки вала с вкладышем.

Отношение радиуса кривошипа валика маятника к радиусу присоединения тяги к корпусу машины должно быть возможно меньшим.

Перемещение поршня у приводных насосов.

Обычно отношение радиуса кривошипа к длине шатуна делается небольшим ( 0 2 и даже меньше), поэтому точность формул ( 16), ( 17) и ( 18) вполне достаточна для приближенных расчетов.

Так как на практике отношение радиуса кривошипа г к длине шатуна / и к длине заднего плеча балансира обычно невелико ( примерно от V До 1 / 7), то дуга, описываемая точкой В, может быть при ближенно заменена стягивающей ее хордой.

Я, RILm — отношение радиуса кривошипа, к длине шатуна; п — частота вращения коленчатого вала, об / мин; Ап ( Яя W 1 Я2) / 120 / вп.

S / D, отношение радиуса кривошипа к длине шатуна Я г / /, литровая JV.

Для сокращения объема насоса обычно отношение радиуса кривошипа к длине шатуна делают небольшим, примерно равным А 0 2 и даже меньше.

На величину мгновенной скорости поршня влияет отношение радиуса кривошипа R к длине шатуна L.

Для получения правильных индикаторных диаграмм необходимо, чтобы отношение радиуса кривошипа к длине шатуна Л двигателя и привода было одинаково и верхняя мертвая точка ходоуменыпителя строго совпадала с в.

Здесь k — показатель адиабаты сжимаемого газа; К — отношение радиуса кривошипа к длине шатуна; М — критерий скорости потока, который соответственно клапану рассчитывается по условиям всасывания или нагнетания.

При уточненных расчетах учитывают конечную длину шатуна, так как при значительной длине хода ( 4 5 — 6 м) отношение радиуса кривошипа к длине шатуна г / 1 становится значительным. Однако в этом случае делают допущение, считая, что траектория движения точки В прямолинейна. Учитывают также и кривизну траектории движения точки В, что позволяет уменьшить погрешность расчета.

X г / 1 есть отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. При колебаниях небольших кривошипных механизмов с конечной длиной шатуна появляется еще одно дополнительное слагаемое первого порядка.

Результаты расчета сил инерция.

Над диаграммой суммарной свободной силы проводим две полуокружности диаметром, равным ходу поршня. Из центров 0 полуокружностей к середине диаграммы в принятом масштабе откладываем отрезки 00 длиной Я / 4 0 188 — 0 045 / 4 2 1 — 10 — 3 м, где А, 0 188 — отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. Из точки 0 через угол 15 проводим линии до пересечения с полуокружностями.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации